《牛頓第二定律》教學(xué)感悟

徐麗霞

【摘要】教師在物理教學(xué)中更重要的是通過傳授學(xué)生物理知識規(guī)律的同時，讓學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)。在教學(xué)中要正確引導(dǎo)學(xué)生在探究中學(xué)習(xí)物理的思維方法和用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)處理 ?圖像法 ?邏輯思維

【中圖分類號】G61 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）13-0008-02

物理課堂上的實驗不但要重視實驗過程，同時要關(guān)注學(xué)生思維活動，幫助學(xué)生在動手實驗和動腦思考的過程，實現(xiàn)物理實驗教學(xué)的最優(yōu)化。教師對課程內(nèi)容的理解是先走一步的甚至可以說是滾瓜爛熟的，對教師而言簡單易懂的內(nèi)容，對學(xué)生來說實際上是第一次接觸或者是第一次將這個方法運用在物理中，確實并不容易，教師在教學(xué)中必須設(shè)身處地為學(xué)生著想，不能把高一的新課上成復(fù)習(xí)課，總認(rèn)為學(xué)生是懂得的。

《牛頓第二定律》這節(jié)課是動力學(xué)的重要內(nèi)容，是高一物理必修1的重點和核心內(nèi)容，在高中物理力學(xué)中占有非常重要的地位。本節(jié)內(nèi)容如果用一節(jié)課完成猜想探究得出結(jié)論時間非常緊張，基本不太可能。如果采用數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）現(xiàn)象顯著，能迅速得出結(jié)論，誤差小，但學(xué)生在這個過程失去自己探討，運用數(shù)學(xué)工具處理實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論的有趣有成就感的過程。是以在處理這節(jié)課時分成兩節(jié)課，在前一節(jié)實驗基礎(chǔ)上運用圖像法探究加速度與力F和質(zhì)量m三者間的關(guān)系，然后通過分析論證、邏輯推理解決比例系數(shù)k=1而得出力的單位設(shè)置問題。這樣處理教材，知識點過渡自然而且流暢。在教學(xué)中把探究實驗的猜想假設(shè)實驗操作獨立成一節(jié)課，就大大緩解第二節(jié)課的教學(xué)壓力使教師能夠有充裕的時間引導(dǎo)學(xué)生完成由圖像歸納規(guī)律的歷程;新課改對實驗探究能力中運用數(shù)學(xué)知識處理物理問題的能力進一步提高，本節(jié)課通過細節(jié)處理提高學(xué)生通過作圖運用數(shù)學(xué)圖像的解決物理問題的能力。

一、運用圖像法處理a與F關(guān)系數(shù)據(jù)

高一學(xué)生經(jīng)過半個多學(xué)期的物理學(xué)習(xí)，經(jīng)歷了運動學(xué)s-t圖像，v-t圖像的學(xué)習(xí)知道了物理在描述物理量之間關(guān)系為了直觀形象會采用數(shù)學(xué)圖像這種表達方式后，這一次再次在力學(xué)中接觸圖像，已經(jīng)有一定的知識基礎(chǔ)和思想基礎(chǔ)，但此次對圖像的要求提高就是不但要讀圖還要學(xué)會繪制圖像。在教學(xué)中采用并提供給學(xué)生。當(dāng)m一定時，a與F的一列5組實驗數(shù)據(jù)，先判斷根據(jù)實驗數(shù)據(jù)猜想a與F的變化關(guān)系，當(dāng)然學(xué)生有些就直接說是成正比，這時要通過反問質(zhì)疑什么是成正比，學(xué)生馬上就會明白成正比必須是過圓點而且要滿足y=kx關(guān)系，數(shù)據(jù)只能說明當(dāng)m一定時，a隨著F增大而增大。此時介紹物理處理實驗數(shù)據(jù)的一種方法——圖像法。采用圖像法處理數(shù)據(jù)，通過描點作出圖像，可以直觀地看出兩個物理量之間的關(guān)系，也可以有效地減小誤差，確定并排除實驗中測出的一些錯誤數(shù)據(jù)。這時候的學(xué)生已經(jīng)完全理解并認(rèn)同圖像法的作用，在這基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗時a與F兩個物理量的因果關(guān)系確定變量和自變量，確定以F/N為橫坐標(biāo)，a/m·s-2為縱坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系。而橫縱坐標(biāo)的單位長度的選擇則根據(jù)數(shù)據(jù)選取，學(xué)生動手在提供的坐標(biāo)紙上描出5個點，這個過程要求學(xué)生只描點不要急著連線，描點后根據(jù)上節(jié)課猜想a與F成正比，要將數(shù)據(jù)連成過原點的直線（由于力這時候不取負，圖像只在第一象限），強調(diào)實驗做圖的原則，讓絕大多數(shù)的點落在線上，無法在線上的點要均勻分布在線上和線下，如果點偏離太多，說明此點是錯誤的，要剔除，要防止學(xué)生出現(xiàn)將相鄰的點用直線相連成折線。

學(xué)生此時是熱情高漲的，積極作圖，大部分都完成很好，只有個別學(xué)生因為橫縱坐標(biāo)找點錯誤圖畫錯的，此時實物投影部分圖象標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生表揚并指出優(yōu)秀之處，對于有問題的圖象也進行指正;此時PPT的動畫功能也發(fā)揮作用，模擬學(xué)生找點畫點，做出圖象，再次規(guī)范作圖要求。根據(jù)所作圖像得出規(guī)律：當(dāng)m一定時，a與F成正比。

二、運用圖像法處理a與m關(guān)系數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理過程類似處理a與F關(guān)系數(shù)據(jù)過程，這一回學(xué)生比較明確直接說a隨m增大而減小，必須作圖，這時候就請了一位學(xué)生來描述解決問題的過程：橫縱坐標(biāo)的確定和取值，然后描點作圖。讓學(xué)生在坐標(biāo)紙上描點作圖，這時描完點的學(xué)生就發(fā)現(xiàn)問題了，不在直線上，怎么辦？沒有發(fā)現(xiàn)用直線把相鄰的點連成折線，表揚全體同學(xué)。指導(dǎo)學(xué)生在實驗猜想階段是當(dāng)F一定時a與m成反比，所以要畫成光滑的曲線。在作圖時描繪光滑的曲線要注意的問題也一一指出。曲線畫出來但問題出現(xiàn)，問學(xué)生這曲線能直觀說明成正比嗎？當(dāng)然不能。教師指導(dǎo)學(xué)生數(shù)學(xué)中y與x成反比，也就是y與x-1成正比，將反比例函數(shù)轉(zhuǎn)化為正比例函數(shù)，在圖中以m-1為橫坐標(biāo)，以a為縱坐標(biāo)作出圖像，可以直觀找出a與m-1的關(guān)系，及當(dāng)F一定時，a與m-1成正比，也就是當(dāng)F一定時，a與m成反比。

三、牛頓第二定律

根據(jù)數(shù)據(jù)處理得出a與F和m關(guān)系，表述出牛頓第二定律內(nèi)容“物體的加速度跟所受的外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比?！苯處熤赋鑫锢碓诒磉_物理規(guī)律概念是喜歡用數(shù)學(xué)表達式，如何用數(shù)學(xué)表達式將上面的結(jié)論表示出來？學(xué)生用以學(xué)過的數(shù)學(xué)知識列出得出加速度跟力、物體的質(zhì)量的關(guān)系：a ∝ F/m 或F ∝ ma，再次引導(dǎo)學(xué)生這還不是等式，等式如何寫呢？要將表達式寫成等式，將上式改寫成等式：F=Kma，等式不夠簡潔，如何把等式簡化？ 從而引出力的單位問題，在國際單位中，質(zhì)量m的單位是kg，加速度a的單位是m/s2，取外力F的單位是N，當(dāng)1N=1kg·m/s2時k=1，使等式簡化為：F=ma，也解決了1N這個單位的大小問題。這個過程實驗組參與討論交流，教師理論上的分析、邏輯推理使學(xué)生層層推進，運用已有的數(shù)學(xué)物理知識，建立嚴(yán)密的邏輯思維過程。

現(xiàn)在再次拋出問題：這是我們研究物體受到一個力時得出的結(jié)論，那么當(dāng)有兩個或更多的力作用時，牛頓第二定律還成立么？如果還成立那么怎么描述牛頓第二定律呢？學(xué)生以實驗組討論，很快就有學(xué)生說不可以，也有學(xué)生提出合力可以解決問題，對于這樣教師要重視說不可以的學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生回憶力學(xué)中有關(guān)力的合成這個知識點，得出結(jié)論，一個力會產(chǎn)生加速度，兩個力也是可以分別產(chǎn)生各自的加速度，但我們在處理一個研究對象的加速度時，通常將力合成考慮合力的加速度，得出牛頓第二定律的進一步表述：“物體的加速度跟所受的合外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比” [2]。此時表達式“F合=ma”。教師再次分析提出所描述的牛頓第二定律的內(nèi)容不完善之處，得出因為力與加速度都是矢量，牛頓第二定律說明了加速度的大小，同時也要說明加速度的方向。牛頓第二定律進一步表述為：“物體的加速度跟所受的合外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同” [2]。到這里才真正把牛頓第二定律表述完整，要求學(xué)生打開書本109頁，閱讀教材中關(guān)于牛頓第二定律的具體描述，加深理解。

四、牛頓第二定律的性質(zhì)

對于牛頓第二定律的理解其實不容易，首先要從性質(zhì)入手，如果單單列舉牛頓第二定律的四個性質(zhì)，學(xué)生過眼既忘，印象淺淡。對于這個問題的處理沒有太多的時間，而且在處理中也要兼顧之前提到的建立學(xué)生嚴(yán)密的邏輯思維的一個能力要求，所以也是如之前教材處理那般采用層層推進，環(huán)環(huán)相扣的推導(dǎo)法，在教學(xué)中通過教師以問題的方式抽絲剝繭把結(jié)果展現(xiàn)在學(xué)生面前。

牛頓第二定律表達式雖然是一個很簡單的數(shù)學(xué)等式，但是它蘊涵了相當(dāng)復(fù)雜的物理含義。力與加速度都是矢量，那么，這兩個矢量的方向有什么關(guān)系嗎？合外力改變時加速度也改變嗎？合外力和a是不是同時產(chǎn)生的？是先有力作用，再積累一段時間才產(chǎn)生加速度還是有力既有加速度呢？力與加速度誰是原因誰是結(jié)果？這些問題在教師的指導(dǎo)下學(xué)生逐個解決，1.矢量性：物體所受合外力的方向決定物體的加速度方向，等式的等號不僅僅表示兩邊數(shù)值相等，同時也表示物理量方向的一致，即物體的加速度方向與物體所受合外力的方向相同[1]。2.因果性：F是力，ma卻不是力，a是力F的作用效果。力是原因，加速度是結(jié)果。力是物體產(chǎn)生加速度的原因[1]。如果不存在力則沒有加速度。3.瞬時性：合外力改變，加速度也一定改變，合外力和a一定是同時產(chǎn)生。當(dāng)物體所受合外力發(fā)生突變時，加速度的大小和方向也要同一時間發(fā)生突變;當(dāng)合外力大小為零時，加速度也一定為零。牛頓第二定律是瞬時對應(yīng)的規(guī)律，體現(xiàn)了力的瞬間性。4.同一體性：牛頓第二定律表達式：F=ma中的三個物理量是對同一物體或同一系統(tǒng)而言的，分析物體的受力情況和確定物體的加速度時切不可對象不一致。探究實驗中小車的加速度由小車受到的繩子的拉力決定，與繩子拉重物的力無關(guān)，因為這個力的受力體是重物，對象不同。

反思這節(jié)課，1.本節(jié)課分為四個部分內(nèi)容，重難點在實驗數(shù)據(jù)的分析與處理，也就是前面分析的第一和第二部分，大概占25-30分鐘左右，目的在于教會學(xué)生用已測的實驗數(shù)據(jù)用圖象法判斷得出加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系;2.課的引入采用復(fù)習(xí)上節(jié)課實驗操作，教師操作實驗，學(xué)生認(rèn)真觀察，找出實驗中不規(guī)范及不合理操作并從實驗中總結(jié)操作要點，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力，并使學(xué)生學(xué)會觀察的方法以及在探討中質(zhì)疑的精神。3.提出問題，讓學(xué)生自己運用已學(xué)過的數(shù)學(xué)物理知識發(fā)現(xiàn)得出規(guī)律，體驗成功的喜悅，培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)工具的能力。在教學(xué)過程中指導(dǎo)學(xué)生處理不同條件下的實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論;指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)所畫的圖象尋找物理規(guī)律[1]。同時將物理知識中包含的“美”展現(xiàn)出來，充分把學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣調(diào)動起來。把物理學(xué)實驗、歸納、總結(jié)的教育研究方法滲透到教學(xué)中。讓學(xué)生在探討中養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度[1]，形成樂于探究生活中的常見現(xiàn)象，能體驗得出規(guī)律的艱苦辛勞與快樂喜悅。4.鍛煉學(xué)生學(xué)會自己探討問題的能力，通過對牛頓第二定律的延伸教學(xué)從而進一步理解牛頓第二定律，充分發(fā)展學(xué)生的邏輯思維能力。積極培養(yǎng)學(xué)生在實驗組實驗討論的合作意識，相互學(xué)習(xí)交流，共同進步的學(xué)習(xí)態(tài)度。通過實際操作的研磨和規(guī)律理論上的分析與論證和進一步的邏輯推理，使學(xué)生在學(xué)習(xí)物理規(guī)律的過程中得到科學(xué)方法的訓(xùn)練和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升，并加強訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力。

參考文獻：

[1]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理1（必修）教師用書 廖伯琴主編

[2]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理1（必修）廖伯琴主編